一種多接口變流器及其控制方法研究

摘 要：提出一種光伏區(qū)制氫站內(nèi)制氫電源多接口變流器的組成及其控制方法，設(shè)備支持多接口連接，協(xié)調(diào)各接口資源配置，可以有效控制各接口協(xié)調(diào)運(yùn)行，優(yōu)化電能使用路徑，降低下網(wǎng)電量，從而達(dá)到減少生產(chǎn)費(fèi)用、保證供電電源穩(wěn)定性的目的。該設(shè)備與方法的可行性、實(shí)用性在項(xiàng)目中得到了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：多接口變流器；協(xié)調(diào)控制；充電自適應(yīng)；光伏；制氫；PCS

中圖分類號(hào)：TM46" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2025）01-0012-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.01.003

0" " 引言

制氫電源是一種可再生能源解決方案，通過使用可再生能源（如太陽能、風(fēng)能等）來產(chǎn)生氫氣，減少對(duì)化石燃料的依賴、減少溫室氣體的排放，從而減緩氣候變化的影響。穩(wěn)定的制氫電源是實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的重要一環(huán)。

以風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電為代表的波動(dòng)性微電源具有間歇性和隨機(jī)性，其輸出功率波動(dòng)會(huì)給電網(wǎng)和用戶帶來沖擊，造成多方面不良影響[1]。制氫電源的穩(wěn)定運(yùn)行可以降低電力中斷的風(fēng)險(xiǎn)，穩(wěn)定的制氫電源可以確保持續(xù)性地產(chǎn)生氫氣，從而提供可持續(xù)的能源供應(yīng)。本文對(duì)接口變流器拓?fù)浼翱刂七壿嬜隽嗽敿?xì)闡述，該設(shè)備通過控制各接口的投入/退出與功率增減來優(yōu)化能量配置與保證供電穩(wěn)定性。

1" " 設(shè)備及接入

多接口變流器主要由智能MPPT匯流接口、儲(chǔ)能變流器PCS接口（以下簡(jiǎn)稱PCS）、制氫變流器DCDC接口（以下簡(jiǎn)稱DCDC）、網(wǎng)側(cè)變流器DCAC接口（以下簡(jiǎn)稱DCAC）這四個(gè)接口組成，具體組成及連接設(shè)備如圖1所示。

在設(shè)備的工程應(yīng)用中，MPPT接入?yún)R流接口，電池組接入PCS，電解槽接入DCDC，變壓器并網(wǎng)側(cè)接入DCAC，正常運(yùn)行時(shí)，匯流接口不參與各接口之間的協(xié)調(diào)控制。匯流端口為電源接口，為主要供電接口；PCS為儲(chǔ)能端口，主要起到平衡離網(wǎng)運(yùn)行模式下的直流母線電壓與并網(wǎng)模式下的上下網(wǎng)電量的作用，以降低生產(chǎn)成本；DCDC接口為負(fù)載接口，用于給制氫車間供電；DCAC為并網(wǎng)接口，主要用于平衡直流母線電壓，對(duì)匯流端口與DCDC間電能起到平衡作用。

2" " 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1" " 交流接口

考慮到光伏發(fā)電波動(dòng)引起的短時(shí)供電不足，為減少下網(wǎng)電量，提高經(jīng)濟(jì)性，項(xiàng)目設(shè)計(jì)的光伏發(fā)電接入總?cè)萘看笥谥茪湄?fù)載最大輸出容量；考慮到夜間生產(chǎn)與供電的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了與光伏發(fā)電總?cè)萘肯嘟腄CAC，DCAC一次圖如圖2所示。

DCAC具備直流側(cè)、交流側(cè)充電軟啟自適應(yīng)功能，在匯流接口與PCS同時(shí)退出運(yùn)行時(shí)，DCAC仍能通過交流側(cè)充電軟啟動(dòng)投入運(yùn)行。DCAC采用三相可控整流逆變技術(shù)，具有雙向流動(dòng)特性，支持設(shè)備連接的儲(chǔ)能及光伏與電網(wǎng)間的電能雙向流動(dòng)[2]。

2.2" " DCDC與PCS接口

DCDC與PCS均采用多支路并聯(lián)方式，如圖3所示，項(xiàng)目中采用3橋臂+LC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3]；DCDC與PCS均采用載波移相控制方式降低紋波峰峰值[4]，如圖4所示。

3" " 控制邏輯

3.1" " 啟動(dòng)邏輯

啟動(dòng)邏輯如圖5所示，MPPT接入電壓到達(dá)閾值后DCAC直流側(cè)充電開始啟動(dòng)，反之，交流側(cè)充電開始啟動(dòng)，之后PCS投入運(yùn)行、DCDC投入運(yùn)行。

3.2" " 并網(wǎng)運(yùn)行邏輯

DCAC接入電網(wǎng)，設(shè)備運(yùn)行時(shí)，如果DCDC負(fù)荷大于匯流接口輸入功率，當(dāng)PCS接口無法平衡直流母線電壓時(shí)，DCAC從電網(wǎng)吸電；如果DCDC負(fù)荷小于匯流接口輸入功率，當(dāng)PCS接口無法平衡直流母線電壓時(shí)，DCAC向電網(wǎng)放電[5]；如果DCDC負(fù)荷等于匯流接口輸入功率，這種情況對(duì)直流母線電壓并不產(chǎn)生影響，這里不作討論。并網(wǎng)運(yùn)行邏輯如圖6所示。

在并網(wǎng)運(yùn)行模式下，優(yōu)先調(diào)用PCS，使用該端口平衡直流母線電壓與優(yōu)化電力資源配置，減少DCAC的下網(wǎng)電量，從而降低電費(fèi)。

3.3" " 離網(wǎng)運(yùn)行邏輯

當(dāng)站內(nèi)停電檢修等需要斷開并網(wǎng)點(diǎn)時(shí)，DCAC退出運(yùn)行，此時(shí)設(shè)備進(jìn)入離網(wǎng)模式運(yùn)行，PCS通過恒壓運(yùn)行控制模式來達(dá)到母線電壓穩(wěn)定的目的；當(dāng)PCS端口因輸出容量或其接口的電池電量原因無法穩(wěn)定直流母線電壓時(shí)：如果DCDC輸出負(fù)荷大于匯流接口輸入功率，直流線電壓降低至母線額定電壓以下的DCDC恒壓模式的控制電壓目標(biāo)值時(shí)，DCDC主動(dòng)降低其輸出功率；當(dāng)DCDC輸出負(fù)荷小于匯流接口輸入功率時(shí)，直流母線電壓升高，MPPT自動(dòng)降低功率或增加DCDC輸出。離網(wǎng)模式下的運(yùn)行邏輯如圖7所示。

在離網(wǎng)模式下，除了多端口變流器本身的自動(dòng)控制，在制氫站內(nèi)配置的項(xiàng)目靈活控制系統(tǒng)投入后，也可以根據(jù)光功率預(yù)測(cè)與生產(chǎn)計(jì)劃提前介入，使用項(xiàng)目的整體性生產(chǎn)協(xié)調(diào)儲(chǔ)能端口，防止出現(xiàn)SOC的極端情況，提高生產(chǎn)的穩(wěn)定與持續(xù)性。

4" " 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

設(shè)備投入運(yùn)行后電壓、電流各項(xiàng)指標(biāo)均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需要。圖8為運(yùn)行時(shí)網(wǎng)側(cè)與直流側(cè)的電壓、電流波形，圖9為集控后臺(tái)畫面，集控中心通過光功率預(yù)測(cè)及生產(chǎn)需求相結(jié)合方式，優(yōu)化數(shù)據(jù)控制模型能量路徑，協(xié)調(diào)控制多臺(tái)制氫電源，在滿足生產(chǎn)任務(wù)前提下減少下網(wǎng)電量，從而提高制氫生產(chǎn)的性價(jià)比。

5" " 結(jié)束語

項(xiàng)目應(yīng)用中多接口變流器及其控制方法提高了連接效率和靈活性——多端口變流器可同時(shí)處理多個(gè)連接，這有助于減少設(shè)備的數(shù)量和復(fù)雜性，并提高系統(tǒng)整體的效率和靈活性；節(jié)省了成本——通過使用多端口變流器，可以減少設(shè)備和線纜的使用，從而節(jié)省資金和資源，并通過功率控制來優(yōu)化能量配置與供電的穩(wěn)定性，減少下網(wǎng)電量。

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收稿日期：2024-08-20

作者簡(jiǎn)介：郭偉（1989—），男，江蘇泗洪人，工程師，研究方向：電力電子應(yīng)用技術(shù)。